阵列超声场的信号采集与处理系统

摘要：介绍了一种新型的基本计算机和数字示波器的阵列超声场的信号采集和处理系统。系统利用Windows平台，采用VC、VB和Matlab编程方法，采集信号并进行信号处理，从而为相控阵聚焦声场的研究提供了很好的试验平台。利用提出的系统，可对样品中的缺陷进行无损检测。

超声相控阵技术在医学和工业无损检测方面有着广阔的应用前景，近年来研究非常广泛。本文介绍的基于计算机的线性超声阵列的信号采集和处理系统，为相控阵的研究建立了很好的理论基础。

数字示波器与模拟示波器相比，能将待测模拟信号实时数字化，并且在波形处理方面有很大改进，从而使其在电子测量中日益得到广泛应用。但是其存储容量和数据处理能力有限，如果能用计算机控制示波器，将示波器采集到的数据及时存储，并用软件分析存储的波形数据和测量结果，就能形成一套有效的信号采集与处理分析系统。本文以TDS210型数字示波器为例，介绍如何将计算机与数字示波器组成一套高性能的信号采集与处理系统，并介绍如何将其应用于相控阵超声无损检测的数据采集和信号处理中。

1 系统硬件组成

系统主要包括：计算机、TDS210型数字示波器、TDS2MM扩展模块、换能器阵列及译码选通装置等。

1.1 试验样块及换能器阵列

如图1所示，在一块235×195.6mm×20.6mm的铜板的顶部贴上64个紧密排列的晶片，晶片截面尺寸为18mm×3.06mm，厚度是0.8mm，材质为PZT-5，固有频率为2.8MHz。在铜板上加工7个通孔（分别为a、b、c、d、e、f、g）作为人工缺陷，其中的圆孔(a、b、c、e、f、g)直径为3.2mm，长方孔（d）截面尺寸为10mm×6mm。

用两个译码选通电路，每次同时选通晶片I和II，分别发射和接收超声波，并分别与示波器通道1和2接通。采用XC16B脉冲发生器产生始脉冲来激励晶片I，始脉冲脉宽为240ns，电压为20V。晶片I受激振动发生超声波，在铜板中传播，遇到气孔与铜材质的界面反射回来，用晶片II接收回波信号，并送入示波器通道2。然后计算机通过示波器的DS2MM扩展模块的串口，并波采集示波器通道2的回波信号，提取和存储许多特征参数，并用应用软件（如Matlab）分析波形，进行信号处理分析。

1.2 TDS210型示波器

本系统采用美国Tektronix公司的TDS210型数字存储示波器。该示波器带宽为60MHz，取样速率为1GS/s，双通道输入，记录长度为2500个点，采样位数为8bit，垂直分辨率为0.4%，水平精度为±0.01%。该示波器还带有非易失性存储器，可以存储两个基准波形和5个前面板设置[1]。

该示波器的TDS2MM扩展模块带有RS-232八位串行通信接口、Centronics硬拷贝打印输出接口和GPIB 8位并行通信接口，可直接与外部的控制器、打印机、计算机等设备进行通信。示波器与计算机可直接用带DB-9型连接器的电缆连接，使用非常方便。

2 系统软件开发

2.1 系统软件设计

本系统开发工具为VB6.0与VC6.0，由于使用了其自带的通信控件MSComm6.0，因而使编程更为方便快捷。MSComm6.0ocx封装了大量标准的通信控制及线程管理函数，通过这些函数可以方便地与串行端口建立连接。这样就可通过串行端口去控制示波器，发出命令，交换数据。

系统工作步骤如下：启动后自动完成初始化，检测硬件配置，设定通讯参数；设置示波器特性，进行数据的人工采集或自动采集；在自动采集的情况下，控制光电继电器按照一定顺序，定时选通阵列中的两个晶片，分别接通发射和接收回路；实时采集通道2中的回波信号，并将其转换成二时制数据文件；利用Matlab编程，对采集的信号组进行排列、移项、叠加、频谱分析等；进而根据信号处理的结果，对缺陷的形状、位置、大小进行成像分析。

系统软件采用模块化方式编写，包括数字示波器初始化、译码选通、数据采集、参数测量、全波存储以及各种信号处理模块。

2.2 通信与数据采集

借助TDS210示波器自带的TDS2MM扩展模块的编程手册，可非常方便地实现计算机和示波器之间的通信，并对示波器中波形信号进行采集。系统启动后，对示波器进行初始化，设定通信参数，将示波器基、通道、触发、显示等子系统做相应设置，并开动选通，进行自动扫查。示波器实时采集换能器阵列装置中的超声波信号，同时计算机向示波器发送命令，取加数据，放入计算机内存，对常用波形参数（如周期、频率、振幅、上升时间、下降时间、脉冲宽度、峰-峰值等）做测量，将波形数据与测量结果存入计算机硬盘，留做后处理。所有数据可存成一个64阶的矩阵，矩阵的每个元素对应的是一个2500个点的回波信号。

2.3 信号处理与分析

通常的信号处理软件首先检出波形数据部分，从时域、空域和频域三个方面分别提取其有关特征参数。时域参数包括波的前沿、后沿、存在时间等；空域参数包括其均值、均方值、方差、概率密度等；频域参数包括其频谱密度等。

本系统不是简单地对单个波形数据进行特征提取。而是将一组波形数据先进行预处理，提高了信噪比后再进行信号的分析处理。

3 相控阵模拟及缺陷检测

图2是一组回波，代表的是第17号晶片接收的各个晶片所发射的超声波信号的反射回波。信号群A、B、C、D、E、F、G分别对应铜块试样中的预留孔a、b、c、d、e、f、g。在回波信号后面，与之平行等距而且波幅有所减小的为侧面波。如果信号足够强，可以有多次侧面波，例如B1、C1、C2等。

    相控阵的工作原理是通过改变相邻超声换能器的相位差Δφ值（也就是调整各个晶片发射时间），来达到在指定位置聚焦的目的。相控阵超声的精确延时发射是超声相控阵系统中的重要环节，其硬件设计和调试过程是很复杂的。本系统采用一种新的思路，即把信号做移项处理，然后虚拟延时发射、定点聚焦，而无需制作实际的相控延时和同步发射的控制电路。

虚拟聚焦点在孔b的中心，坐标为(58.6,74)。17号晶片在孔b的正上方，因它发出的超声到达b孔中心的距离最短，所以也就能最早接收到由b孔反射回来的超声。因此它的回波信号在信号族B中，应该在最前面。根据声程的不同，将64条信号进行移项处理，使之都与17号晶片的信号B对齐，结果如图3所示。经过延时，所有晶片发射的超声在该点的回波信号(B')在时间上排列一致，即各个晶片发射的超声在该点处发生了实际的聚焦。数据处理分析的结果和实际情况相吻合，说明此处确实存在缺陷。

将图3所示的延时排列的信号叠加，得到图4所示的信号i。i为所有晶片发射的超声在b点聚焦的信号，64个晶片的贡献同相叠加，所以信号很强。信号ii是第17号晶片对孔b自发自收的回波信号，只是一个晶片的贡献，最高峰不到18mV。从图中可以明显看出，聚焦后孔b的回波信号i显著增强，回波峰-峰值达到0.45V，随机的噪声信号以及其它孔的回波信号和噪声都互相抵消而几乎消失，只留下缺陷孔b的一次回波及其自身的一次侧面波。

将图4中的信号i、ii进行傅立叶变换，得到图5所示的频谱图[2]。如图5（a）所示，聚焦信号i的能量主要集中在1.2MHz左右，能量分布规整，带宽约为0.5MHz。图5(b)所示的单个晶片的回波信号ii，其中心频率为1.2MHz，与信号i的中心频率基本吻合，但是能量分布比较分散，最大值也只有i信号的300分之一。

幅值和频谱对比的结果表明，如果只用一个晶片的回波信号进行处理分析，缺陷的回波信号很微弱，信噪比低，信号的能量 也很低。采用阵列晶片的聚焦信号，缺陷孔的回波信号显著增强，信噪比很高，而且反映在频谱图上，主频信号能量较大，分布规整，有一定的带宽，从而使得有效的检测信号得到增强，更便于缺陷的识别和检出。

    如果虚拟焦点实际上不存在缺陷，则根据声程差移项后的信号不能在时间上排列一致，信号叠加时互相抵消，得到的合成聚焦的信号很微弱，能量也很低，可以通过滤波将其滤掉。

把64 2个波形数据进行处理分析，以一定间距对铜板中的各点进行虚拟扫描聚焦，便可得知整个铜板中缺陷的分布情况，从而在计算机上实现了数字化探伤仪的功能。如果做进一步处理，信将信号的各种参数在时域、频域中进行综合分析，可以做出铜板中缺陷分布的直观示意图。

本文提出的用软件分析方法对超声相控阵的试验数据进行处理分析，无需相控延时硬件电路的设计，极大地节约了成本和时间。本文提出的信号处理方法，能很好地过滤噪声，强化有用的信号，对缺陷的无损检测有很高的分辨率。这套系统不仅可以用于相控超声信号的采集和处理分析，还可用于各种具有通信接口的测量仪器的功能扩展开发中。